1  前言

地質(zhì)雷達(dá)作為近十余年來
既衰減系數(shù)與電導(dǎo)率(σ)及磁導(dǎo)率(μ)的平方根成正比,，與介電常數(shù)(ε)的平方根成反比,。

而界面的反射系數(shù)為：

式中Z為波阻抗,，其表達(dá)式為：

顯然,，電磁波在地層中的波阻抗值取決于地層特性參數(shù)和電磁波的頻率,。由此可見,，電磁波的頻率(ω=2πf)越高,，波阻抗越大。

對于雷達(dá)波常用頻率范圍(25～1000MHz),，一般認(rèn)為σ<<ωε,因而反射系數(shù)r可簡寫成:

上式表明反射系數(shù)r主要取決于上下層介電常數(shù)差異。

應(yīng)用雷達(dá)記錄的雙程反射時(shí)間可以求得目的層的深度H：

式中:t為目的層雷達(dá)波的反射時(shí)間,；c為雷達(dá)波在真空中的傳播速度(0.3m/ns),；εr為目的層以上介質(zhì)相對介電常數(shù)均值。

3  工程概況

北京市界內(nèi)永定河左,、右堤防于清朝乾隆年間修筑,，后經(jīng)數(shù)次維修和加固形成現(xiàn)有規(guī)模，主體為梯形,，頂寬約10m,，可見堤高約5～6m,，堤內(nèi)坡坡度為1:1.5～1:2.0，外坡相對較緩為1: 2.0～1: 2.5,。

堤身為人工堆積,，主要由粉細(xì)砂(中下游段)、卵礫石(上游段)組成,。介質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜多變,，分布不均，且處于包氣帶中,，極為干燥,。

堤基為第四系全新統(tǒng)地層，巖性以粉細(xì)砂為主,，下游段出現(xiàn)黑色淤泥質(zhì)粘土夾層,，層厚約0.7～2.0m。

地下水位埋深(自地表計(jì))：盧溝橋附近約20.0m,，至下游逐漸變淺,，達(dá)省/市界附近(石佛寺)一帶約2.0m。

永定河盧溝橋下游至省/市界左,、右堤防共劃定險(xiǎn)工段12處23段,，分布在左堤約60Km和右堤約30Km范圍內(nèi)，其險(xiǎn)工段內(nèi)坡為漿砌石(厚約40cm——原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn))結(jié)合鉛絲石籠構(gòu)成的護(hù)砌,，并于1964～1989年間營建,，漿砌石護(hù)坡除可見堤身部分露出外，其余部分與鉛絲石籠水平護(hù)底均埋于河灘灘地以下,，一般為3.0～5.0m,，外鋪8.0m的鉛絲石籠護(hù)底。這些險(xiǎn)工段在歷史上均有決口或搶險(xiǎn)加固的記載,。為滿足北京市對永定河防洪設(shè)計(jì)的需要,，保證該堤防渡汛萬無一失，故進(jìn)行地球物理勘探工作,，以檢測堤防工程的護(hù)砌質(zhì)量,，便于99年6月份之前進(jìn)行加固處理。

4  測試技術(shù)及資料處理

為判斷險(xiǎn)工段堤內(nèi)坡護(hù)險(xiǎn)漿砌石質(zhì)量的優(yōu)劣,，沿內(nèi)坡坡腳布置一條雷達(dá)探測剖面,，并按其走向連續(xù)測試。

外業(yè)施測使用瑞典MALA地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的RAMAC/GPR地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng),，天線的中心頻率為250MHz,，收發(fā)天線的間距為0.6m。實(shí)測采用剖面法,，且收發(fā)天線方向與測線方向平行,。記錄點(diǎn)距為0.2m,，采樣頻率為3893MHz，單一記錄跡線的采樣點(diǎn)數(shù)為512,，迭加次數(shù)為16,，記錄時(shí)窗為180ns，若取堤身土體的雷達(dá)波速為0.08～0.10m/ns,，表層漿砌石的雷達(dá)波速為0.10～0.12m/ns,，綜合考慮該地層剖面特征，選取雷達(dá)波速中值為0.10m/ns,，則此時(shí)該雷達(dá)系統(tǒng)的最小縱向分辨率為8～10cm,。

雷達(dá)資料的數(shù)據(jù)處理與地震反射法勘探數(shù)據(jù)處理基本相同，主要有：①濾波及時(shí)頻變換處理,；②自動(dòng)時(shí)變增益或控制增益處理,；③多次重復(fù)測量平均處理；④速度分析及雷達(dá)合成處理等,，旨在優(yōu)化數(shù)據(jù)資料,，突出目的體、最大限度地減少外界干擾,，為進(jìn)一步解釋提供清晰可辨的圖像,。處理后的雷達(dá)剖面圖和地震反射的時(shí)間剖面圖相似，可依據(jù)該圖進(jìn)行地質(zhì)解釋,。

5  成果分析

地質(zhì)雷達(dá)資料的地質(zhì)解釋是地質(zhì)雷達(dá)探測的目的,。由數(shù)據(jù)處理后的雷達(dá)圖像，全面客觀地分析各種雷達(dá)波組的特征(如波形,、頻率,、強(qiáng)度等)，尤其是反射波的波形及強(qiáng)度特征,，通過同相軸的追蹤,，確定波組的地質(zhì)意義，構(gòu)制地質(zhì)——地球物理解釋模型,，依據(jù)剖面解釋獲得整個(gè)測區(qū)的最終成果圖,。

地質(zhì)雷達(dá)資料反映的是地下地層的電磁特性(介電常數(shù)及電導(dǎo)率)的分布情況，要把地下介質(zhì)的電磁特性分布轉(zhuǎn)化為地質(zhì)分布,，必須把地質(zhì),、鉆探、地質(zhì)雷達(dá)這三個(gè)方面的資料有機(jī)結(jié)合起來,，建立測區(qū)的地質(zhì)——地球物理模型，才能獲得正確的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式,。

雷達(dá)資料的地質(zhì)解釋步驟一般為：

⑴ 反射層拾取

根據(jù)勘探孔與雷達(dá)圖像的對比分析,，建立各種地層的反射波組特征,，而識別反射波組的標(biāo)志為同相性、相似性與波形特征等,。

⑵ 時(shí)間剖面的解釋

在充分掌握區(qū)域地質(zhì)資料,，了解測區(qū)所處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)背景的基礎(chǔ)上，研究重要波組的特征及其相互關(guān)系,，掌握重要波組的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征,，其中要重點(diǎn)研究特征波的同相軸的變化趨勢。特征波是指強(qiáng)振幅,、能長距離連續(xù)追蹤,、波形穩(wěn)定的反射波。同時(shí)還應(yīng)分析時(shí)間剖面上的常見特殊波(如繞射波和斷面波等),，解釋同相軸不連續(xù)帶的原因等,。

圖1  左堤9+638～9+721護(hù)險(xiǎn)段坡腳雷達(dá)圖像(a)和地質(zhì)解釋圖(b)

根據(jù)上述解釋原則，對雷達(dá)圖像進(jìn)行地質(zhì)解釋如下：

圖1(a)為左堤9+638～9+721護(hù)險(xiǎn)段坡腳雷達(dá)測試圖像,。此圖由淺至深解釋為：①第一同相軸(<4ns)為雷達(dá)波初始信號,；②第二同相軸和第三同相軸(<12ns，層厚約0.40m)呈現(xiàn)出寬粗,、強(qiáng)振幅,，且連續(xù)可追蹤的水平層狀，該同相軸推測為漿砌石在雷達(dá)圖像上的反映,。尤其是第三同相軸有時(shí)出現(xiàn)不連續(xù)段或缺失或雜亂無章時(shí),，即可推定此處漿砌石質(zhì)量差或與堤身土體分離形成架空等現(xiàn)象；③新人工填土：反射層位不連續(xù),，起伏變化較大,，有時(shí)雜亂無章，反映該層填土不均勻,，層位不穩(wěn)定,，時(shí)有透鏡體的形式展現(xiàn)，該層厚度大約為2～4m,；④老人工填土：反射層位連續(xù)且穩(wěn)定,，層內(nèi)介質(zhì)變化不大，反映出該層填土較均勻,，已形成相對密實(shí)的地層,，該層厚度大約為1～3m；⑤自然地層：即堤基持力層,，反射明顯,，層位穩(wěn)定，未見層內(nèi)介質(zhì)突變或不均勻的現(xiàn)象，反映出自然地層沉積環(huán)境較好,，密實(shí)度相對較大等,，此層頂面埋深大約為４～５m。

圖2為左堤32+960處護(hù)險(xiǎn)坡腳雷達(dá)圖像,，圖中淺部解釋與圖1類似,，主要說明的是剖面6.0～12.0m段，自0.4m以下反射層位雜亂,，極不規(guī)則,，連續(xù)追蹤性差，出現(xiàn)很多的短小反射層,，且漿砌石下部反射也很雜亂無章,，說明此段護(hù)險(xiǎn)下部的土體較松散，與漿砌石形成似離似親,，接觸較差,。而剖面12.0～15.7m段上下部位反映較均一，水平層狀良好,，說明此段堤身土體較密實(shí),，與漿砌石接觸良好。

3為已知漿砌石下部架空時(shí)的圖像,，該剖面第三反射同相軸自剖面點(diǎn)9.4m處斷開,，形成“背斜”狀的強(qiáng)反射層，此現(xiàn)象延續(xù)到剖面點(diǎn)12.8m處,，此段漿砌石與下部土體分離導(dǎo)致架空,，其范圍與已知情況吻合。 

    通過雷達(dá)測試成果的地質(zhì)解釋共圈定出73處漿砌石存在不同程度的隱患或質(zhì)量較差,，這些隱患的類型一般為：①漿砌石厚度較?。虎跐{砌石與下部土體分離形成架空,；③漿砌石膠結(jié)不良或松散,；④漿砌石出現(xiàn)裂縫等不良現(xiàn)象。

    護(hù)砌整體質(zhì)量較差的堤段多為年久失修嚴(yán)重,，漿砌石與下部堤身土體接觸差,，多形成架(懸)空狀態(tài)，造成護(hù)砌斷裂,、塌陷等不良現(xiàn)象較普遍,，且多具一定規(guī)模。而造成上述現(xiàn)象存在的原因,，筆者分析后認(rèn)為漿砌石面存在許多縫隙,，且砂漿質(zhì)量差,、少漿，下部又無防滲護(hù)層,，堤身土體多由粉細(xì)砂組成,，經(jīng)降水入滲，粉細(xì)砂局部被沖刷淘失,，在砌石與堤身土體之間形成空洞，并有繼續(xù)擴(kuò)大發(fā)展之趨勢,。

該物探成果經(jīng)開挖驗(yàn)證(見圖4——開挖照片),，完全符合客觀實(shí)際，受到了甲方的贊譽(yù),。

6  結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)以其高效快速,、高精度在護(hù)險(xiǎn)工程探測中能夠發(fā)揮重要作用，取得了良好的應(yīng)用效果,，且對淺層或超淺層的工程探測中有著十分廣闊的應(yīng)用前景,，然而地質(zhì)雷達(dá)的探測深度和精度與所采用的天線頻率有很大關(guān)系，天線的頻率越低探測深度越大,，則精度越低,；而天線的頻率越高，探測深度越淺,，則精度越高,。本次采用中心頻率250MHz的天線進(jìn)越高。本次采用中心頻率250MHz的天線進(jìn)行探測,，其深度和精度均能滿足此次勘察的技術(shù)要求,。

圖4  開挖驗(yàn)證結(jié)果(左堤——照片)